1. 前言
電動工具是指一種運用小容量電動機或電磁鐵，通過傳動機構驅動工作頭的手持式或可移式的機械化工具，如電鉆、電鋸、切割機等。按照精度和使用領域的不同，電動工具大致可分為工業級、專業級和通用級三類。
隨著全球制造業的不斷發展，在智能化、自動化的背景下，全球電動工具行業市場規模也隨之不斷增長。據資料顯示，2021年全球電動工具行業市場規模達290億美元，同比增長6.62%。 其中北美和歐洲地區是全球最主要的電動工具需求市場，2021年占比合計超80%。具體來看，2021年北美地區占比達43.8%，歐洲地區占比達37.6%，亞太地區占比達18.6%。
隨著近年來我國房地產及制造業的快速發展，使得市場對電動工具的需求不斷增加，推動了我國電動工具市場規模的增長。據資料顯示，2021年我國電動工具行業市場規模達1873億元，同比增長15.19%，預計到2022年市場規模將增長至2158億元，目前中國已成為全球電動工具生產制造大國，2021年國內電動手提式工具產量達2.7億臺，同比增長22.87%。
資料來源：電動工具市場白皮書
隨著電動工具從工業等專業應用領域逐步向民生領域的發展，小型化、智能化和無繩鋰電池化是電動工具行業今后的主要發展趨勢，行業需要更緊湊、更省電、更高效和更經濟的電動工具控制方案。
本次發布的方案是基于廣芯微低功耗32位MCU芯片UM3213A開發的設計，UM3213A采用ARM Cortex-M0+內核，主頻32MHz，內置64KB閃存，支持1.8~5.5V寬電壓工作范圍，支持3路互補PWM輸出，內置1路運放和3路比較器，支持8通道12位1MspsADC轉換器、多路UART、SPI，I2C等豐富外設接口，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點。芯片支持9路PWM和1路CAN總線，提供35個GPIO。
UM3213A芯片資源總覽
2.方案速覽
2.1方案特點：
1.可實現低速大負載啟動，帶載運行能力強
2.內置3路比較器快速直接獲取反電勢信號，節省成本且更高效可靠
3.無極調速+防飛車檢測電路設計方案，可快速實現產品應用
4.內置比較器做硬件過流保護，快速又安全
5.支持欠過壓、欠過溫、欠過流、超速等保護，大幅度縮減開發周期
6.PWM支持異常情況緊急停機保護機制，有效防止功率元器件損壞
7.防抄板設計，防止eFlash中程序被盜取
8.內部集成電機控制專用單元，減少外圍電路，節省布板空間
9.高集成、高性能、低成本，成熟的電機控制算法，快速匹配不同的電機
2.2工作原理簡介
本方案采用120°導通型，即二二導通模式控制BLDC電機，電機每隔60°換相一次，電機正常工作任意時刻都有兩個功率管同時導通，且每個器件開通120°電角度，而換相之前需要知道轉子所在扇區，本方案采用三路內置比較器對相電壓和三相中性點電壓比較得到轉子扇區，通過提前換相從而使轉子持續轉動，工作原理框圖如下。
原理框圖
本方案采用方波二二導通方式驅動，每次只給三相電機中的兩相通電：一相連接到電源的 正極，一相連接到電源的負極，一相浮空。電流從電源的正極流入，進入其 中一相，并從電機的另一相流出到電源的負極。電流流向如下圖所示
在一個電周期 360° 電角度內，共有六種不同的控制信號控制功率管開通關斷，使得定子電流有六種狀態，即定子繞組的合成磁動勢有六種狀態，每步持續60°拖動轉子運行，從而實現電機連續運轉，其合成磁勢如下如圖所示。
如下圖 ，Fs為定子合成磁動勢，Fr為轉子磁動勢，由下圖可知定子合成磁勢與轉子磁動勢往往在60°到120°之間，但是這并不是最大輸出扭矩的角度，根據磁場力矩最大原理，Fs和Fr為90°時扭矩輸出最大。
為了輸出最大轉矩，轉子的位置信號至關重要。每次換相時，先檢測轉子的位置信號，當檢測到過零點時 定子合成磁動勢超前轉子磁動勢120°電角度，當轉子再旋轉30°電角度后再次進行換相，此時輸出扭矩最大，根據二二導通原理和星型結構電機結構可知，假設一對極電機，每相包含兩個過零點，三相即6個過零點，故電機的轉子位置每變化 60° 電角度進行一次換相控制 。示意圖如下所示
3.硬件模塊介紹
3.1 UM3213A電動工具PCB設計圖和實拍
3.2 PWM調制輸出
3路互補PWM輸出支持各種PWM調制方式，GTIMER0/1/2為3個16位通用定時/計數器，每個定時器有兩路PWM輸出和1路輸入捕獲，可產生帶死區時間的互補PWM。
3.3 反電勢采樣電路
芯片內部三路比較器采樣，3路獨立比較器，具有軌到軌輸入的遲滯比較器，三路比較器的IN+接入三相反電勢采樣點上，另IN-一起接入反電勢采樣電路的公共點上。
注：C24/C25/C26濾波電容根據電機屬性及實際的測試信號進行調整,建議100pf或1uf
3.4 電流采樣電路
適用于電動工具，通常母線電流在15-20A，故使用1毫歐采樣電阻，配置3.3V基準電壓，20倍放大倍數.
注：此運放可使用MCU內部集成運放
3.5 硬件電流保護電路
a. 使用配置運放輸出OP_P與OP_N電壓比較，實現硬件剎車。OP_N電壓外部配置（R15與R18分壓值為比較電壓）。
b. 可使用外部比較器電流輸入至Gtimer0/1/2 任意一路BK配置口。
注：內置的這一路運放只能運放或比較二選一。本方案將內部運放做比較器使用，此圖只展示原理。
3.6 母線電壓采樣
分壓比根據系統電壓值進行調整，R49/C32組成RC濾波電路。
3.7 溫度采樣（NTC）
NTC電阻與R47分壓，經過C30濾波輸入至MCU ADC采樣口實現MOS 溫度采樣。通過CON1口連接BMS板上NTC， ADC采樣來實現電池包過問保護。
4.軟件介紹
4.1軟件架構
此方案整個軟件工程分為應用層、System、Common及電機庫。應用層包含系統初始、系統配置、CLI引擎、通用任務、電機控制API、電機任務等。System層包含Startup啟動、中斷服務、時鐘、睡眠與低功耗等。Common層包含消息隊列、軟定時器、延時/串口輸出、實用工具等。電機庫包含PID 環路、換相函數處理、芯片驅動庫等。
4.2 外設功能
4.3 電機控制算法概要
4.4 電機運行狀態
電機運行狀態分為 INIT、 READY、 RUN 、STOP、 BRAKE、 FAULT 6個狀態：
1.INIT主要處理電機及功能參數初始化；
2.READY主要等待電機運行指令；
3.RUN主要是電機運行處理函數；
4.STOP主要是處理停機；
5.BRAKE主要處理剎車；
6.FAULT主要處理停機或剎車，處理故障狀態，判斷是否重啟。
4.5 分時事件處理
定時中斷計數，獲取不同時間標志位，在主循環中判斷時間標志位運行不同時間事件處理函數。
1.與PWM周期同步處理的事件有電流保護、PWM的調節；
2.每1ms處理的事件有按鍵的狀態機、計時功能及指示燈的報警；
3.每5ms處理的事件有電壓保護、速度閉環、堵轉保護；
4.每10ms處理的事件有mos溫度保護；
4.6 保護措施
5.測試波形
5.1 運行過程中相電壓波形
5.2 全速運行時相電壓波形
6.CLI 引擎
為用戶提供配置、管理以及維護等操作，是技術人員調試和維護設備的重要手段。使用超級終端、Tera Term或SecureCRT通過UART接口登錄系統并使用命令進行系統調試和維護管理。
7.通用的開發環境如下：
7.1 硬件環境：
MCU平臺：UM3213A
調試器：JLINK V9隔離仿真器
電機類型：PMSM/BLDC
7.2 軟件環境
操作系統：Windows
編譯器：Keil MDK V5.25
編譯語言：C
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